автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование системы автоматического управления процессом шлихтования в пене

На правах рукописи

ВИНИЧЕНКО Светлана Николаевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ШЛИХТОВАНИЯ В ПЕНЕ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Г

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете им. А.Н. Косыгина на кафедре автоматики и промышленной электроники

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Козлов А. Б.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Поляков А.Е. кандидат технических наук, доцент Никифоров Ю.Н.

Ведущая организация: ОАО НПК «Центральный научно-

исследовательский институт шерсти (ЦНИИШерсти)»

Защита состоится «_»_2005 года в_часов на заседании

диссертационного совета Д.212.139.03 в Московском государственном текстильном университете им. А.Н. Косыгина по адресу: 119991, Москва, Малая Калужская, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета им. А.Н. Косыгина. Автореферат разослан «___»_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Корнеев С.Д.

¿006 -4 /296/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из наиболее важных процессов в подготовке основы к ткачеству является шлихтование. После обработки пряжи (основы) в шлихте значительно повышается устойчивость нитей к многократным механическим воздействиям на ткацком станке, сокращая тем самым обрывность нитей. Постоянное технологическое усовершенствование ткацкого производства, в том числе и увеличение производительности за счет повышения скоростных режимов, заставляет искать новые, более эффективные методы и оборудования для процесса обработки пряжи (основы) шлихтой. Поэтому, в последнее время наблюдаются новые тенденции развития в данном процессе, и одной из предлагаемых технологий является шлихтование основы вспененной шлихтой. В нашей стране, в отличие от некоторых зарубежных странах, пенную технологию применяют лишь при отделке тканей и в процессе крашения.

В отличие от традиционного способа, шлихтование пеной имеет ряд преимуществ: увеличивается равномерность слипания волокон, что значительно улучшает качество ошлихтованной пряжи (основы); сокращается расход шлихтующих препаратов, так как осуществляется нанесение шлихты преимущественно на поверхность пряжи (основы); снижаются энергетические затраты на сушку основы. Кроме того, после ткачества облегчаются операции расшлихтовки ткани по причине удаления меньшего количества шлихты, оставшейся в ткани на основных нитях.

Для обеспечения требуемого по технологии приклея существенным фактором, определяющим качество шлихтования данным способом, является получение пены с необходимыми свойствами, т.е. определенной дисперсностью и кратностью. Однако на данный момент основной проблемой является контроль над качеством получаемой пены, обеспечивающей соответствующие физико-механические свойства основных нитей при шлихтовании. Большое значение в образовании пены с нужными свойствами шрает интенсивность процесса пе-нообразования и конструкция вспенивающего устройства, что почти не исследовано. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная решению вопросов управления вспенивающим устройством и разработке системы автоматического управления процессом шлихтования в пене, является актуальной.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование устройства для получения пены - пеногенератора, системы автоматического управления процессом пенообразования, обеспечивающей получение пены с заданными свойствами, а также системы автоматического управления процессом нанесения пены на нити основы для получения соответствующего приклея.

Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:

1. Анализ особенностей технологического процесса шлихтования в

пене и исследование уже известных методов, средств и технологий процессов приготовления и пода

2. Экспериментально-теоретическое исследование пеногенератора, как объект управления и получение его математической модели.

3. Разработка систем автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе.

4. Моделирование разработанных систем управления для оценки переходных характеристик в процессе приготовления пены.

5. Разработка адаптивной системы управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от применения качества и параметров используемой для приготовления пены шлихты.

6. Разработка системы автоматического управления процессом нанесения пены.

7. Анализ методов полного внутреннего отражения в оптоэлек-тронных преобразователях для использования, в качестве датчика качества пены.

На защиту выносятся;

1. Математическая модель пеногенератора.

2. Математическая модель процесса приготовления пены в пеногенераторе по трем каналам управления, где в качестве управляющих воздействий использованы расход воздуха, рас код шлихты и изменение частоты вращения вала.

3. Структура одно-, двух- и трехканальной систем управления процессом приготовления пены

4. Результаты математического моделирования разработанных систем автоматического управления вспенивающим устройством.

5. Структурная модель системы управления процессом шлихтования в пене.

6. Оптоэлектронный способ измерения кратности вырабатываемой пены в пеногенераторе.

Методика проведения исследований. В работе использована комплексная методика исследования, включающая математические анализы и инструментальные методы. При построении математической модели процесса приготовления пены в пеногенераторе применялись экспериментальные методы исследования и компьютерная обработка информации.

Теоретические исследования основывались на современных методах теории автоматического управления. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях путем физического макетирования. Расчеты характеристик и моделирование систем автоматического управления процессом приготовления пены проводились по разработанным программам математических систем МаАСАБ и МАТЬАВ.

Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы исследован пеногенератор, как объекта автоматического управления.

Получена математическая модель процесса приготовления пены по трем каналам управления.

Проведено исследование статической зависимости технологических параметров изменением подачи воздуха, жидкости и изменением частоты вращения вала с кратностью вырабатываемой пены в пеногенераторе.

Разработана система автоматического управления процессом шлихтования в пене.

Обоснована возможность применения оптоэлектронного преобразователя с полным внутренним отражением в качестве датчика качества пены.

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей процесса приготовления пены и системы управления подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Научные решения диссертационной работы обоснованы в рамках допущения, являющихся общепринятыми.

Практическая ценность. Использование разработанной системы автоматического управления процессом шлихтования пеной позволит уменьшить энергозатраты в сушке, сократить загрязнение шлихтовального оборудования и увеличить равномерность слипания волокон.

Разработанные математические модели пеногенератора могут также использоваться в отделке материалов, в крашении и в других процессах, где возможно применение пены.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на вузовской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века» (Москва, МГТА) 2002 г. Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ) 2002,2003,2004 гг.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 120 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общего вывода по работе, а также содержит список используемой литературы из 71 наименований и 1 приложение. Работа иллюстрирована 33 рисунками, 1 схемой и 5 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования. Указана методика исследования, научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена сравнению особенностей применения пены в текстильной промышленности, на примере процесса шлихтования основных нитей. Рассматриваются основные характеристики пены, позволяющие осуществлять управление процессом шлихтования вспененной шлихтой. Так, одним из основных параметров, имеющим особое влияние на приклей является кратность пены, которая показывает отношение объема пены к объему раствора, пошедшего на ее образование. Величина приклея при шлихтовании в пене в

значительной степени зависит от концентрации шлихты и заполнения раствора воздухом, а также от относительного объема воздуха.

Рассматриваются и возможные способы получения пены. Также проанализированы существующие вспенивающие устройства (пеногенераторы): их типы, конструкции и способы управления. Наибольшее преимущество получили развитие смесительные пеногенераторы, так как процесс управления ими осуществляется, изменением расход воздуха и/или шлихты, а в некоторых также и частотой вращения вала, что лучше позволяет регулировать качество получаемой пены (кратность, дисперсность и т.д.).

Предлагаются различные способы нанесения пены на основу, что является важным для оптимального условия шлихтования в пене и получения постоянного приклея. Установлено, что наиболее равномерное распределение пены по поверхности пряжи достигается при использовании защитного кожуха (заслонки)

Вторая глава содержит экспериментальные исследования и построение математической модели вспенивающего устройства, созданного на основе известной информации. На рисунках 1 и 2 приведены схемы разработанной для исследований экспериментальной установки пеногенератора и его модуля -смесителя.

Рис. 1 Экспериментальная установка пеногенератора 1 - бак со вспенивающей жидкостью; 2 - смеситель; 3 - подача вспенивающей жидкости; 8 - универсальный асинхронный двигатель; 9 - блок управления двигателем; 10 -воздуходувка; 11 и 12 - вентили.

3 4

2 - цилиндр смесителя; 3 - подача вспенивающей жидкости; 4 - подача воздуха; 5 - вращающийся вал; 6 - лопасти; 7 - подшипники.

Вспенивающее устройство состоит из цилиндра - смесителя 2 длиной 21,6 см и диаметром 8 см, сверху в отверстие 3 которого подается вспенивающий раствор из бака со шлихтой 1. Воздух подается от воздуходувки 10 с двигателем на базе пылесоса в отверстие 4, также расположенного на верху смесителя. Расход жидкости и воздуха устанавливается с помощью вентилей 11 и 12. Внутри смесителя расположен вращающийся вал 5 с 5-ю закрепленными на нем лопастями 6. Вал 5 приводится к вращению с помощью универсального асинхронного двигателя 8 марки УАД 72Ф. Частота вращения двигателя, а, следовательно, и вала, задается и поддерживается частотно-регулируемым приводом 8У0041С5 9.

В ходе процесса проведения трех факторного эксперимента была определена статическая зависимость, связывающая технологические параметры: изменением подачи воздуха (х(), жидкости {х2) и изменением частоты вращения вала (х2) с кратностью вырабатываемой пены (у) в пеногенераторе.

В результате расчетов были определены численные значения коэффициентов уравнения регрессии:

ух = 3,91-0,36*, -0,3 Ц +0,3 Ц —0,14^2+0,29х1) -0,2 +0,1 (1)

Статический анализ полученного уравнения регрессии позволил дать оценку значимости коэффициентов уравнения, проводя построение доверительного интервала и проверку адекватности с помощью критерия Фишера. После отбрасывания незначимых коэффициентов уравнение имеет вид: ,

^ = 3,91 - 0,36*, - 0,31х2 + 0,31*з (2)

Полученное уравнение регрессии дает возможность оценить вклад каждого фактора, что позволяет использовать их при автоматизации управления процессом приготовления пены, в качестве одних из управляющих координат.

Исследование данной установки пеногенератора как объекта управления проводилось путем снятия переходных характеристик по трем основным каналам управления:

- изменение частоты вращения вала в смесителе кратность вырабатываемой пены («со - К»);

- изменение подачи воздуха в смеситель - кратность вырабатываемой пены («С» - К»);

- изменение подачи шлихты в смеситель - кратность вырабатываем®« пе_ ны («Сшя — К»),

Дальнейшая аппроксимация снятых переходных характеристик, позволила получить математические модели объекта по этим трем каналам управления. Все передаточные функции описываются апериодическим звеном 2-го порядка.

Передаточная функция по каналу «со - К» имеет вид:

т, , ч 0,12

* (2,4 •/> +1) • (1,7 -/»+1) (3)

Среднеквадратичное отклонение принятой модели от экспериментальной переходной функции, является равной, <т=0,051.

Передаточная функция по каналу «Ов - К» принимает вид:

Среднеквадратичное отклонение принятой модели от экспериментальной переходной функции равняется о=0,054.

Передаточная функция по каналу «Ош - К» имеет вид:

„. . . 0,12

кк0ш (р) = ^п^п—ГТГ (5)

Среднеквадратическое отклонение принятой модели от экспериментальной переходной функции составляет а=0,047.

Третья глава посвящена разработке и анализу системы автоматического управления процессом приготовления пены.

В ранее известных системах управления пеногенератором контроль над получаемой пеной осуществлялся косвенным путем: по изменению расхода раствора и воздуха, что не дает полной информации о выходном параметре кратности пены. Поэтому в данной работе предложено управление системой, где определяемым параметром является кратность пены, а в качестве управляющих воздействий использовать расход раствора и воздуха, а также изменение частоты вращения вала.

Проведенное моделирование одно-, двух- и трехконтурных систем автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе с помощью приложения вшшНпк системы МАТЬАВ, позволило получить переходные характеристики данных систем управления. . '

Результаты моделирования одноконтурных систем при различных законах управления (П, ПИ и ПИД) приведены в таблицах 1 (по каналу «со - К»), 2 (по каналу «Ошл - К») и 3 (по каналу<<Ств - К»).

Таблице 1

воздействие. Регулятор Кнуст ок. % 1в> с

По знанию п 4 65.8 23

ПИ 1 6.13

ПИП 1.6 6.43

По возмущению п 4

ПИ _ 6.15

ПИЛ — 6.3

Полученные результаты свидетельствуют, что наименьшее время регулирования Ц, также как и наименьшее отклонение от заданного значения Дыах наблюдается по каналу «со - К», а наибольшее отклонение от заданного значения Амш наблюдается по каналу «в,, - К», т.е. любое изменение расхода воздуха ухудшает качество пены.

Таблица 2

Воздействие Регулятор Кнуст ок, % Амах

По заданию П 4 30.63 _ 50.92

ПЯ 1.67 11.78

пил 14 _ 20.54

По возмущению п 4 1.63 39.55

пл _ 0.85 11

пил — 0.86 П.13

Таблица 3

воздействие Регулятор ^нуст ок, % Дмах и, с

По заданию п 4 20.59 _ 27.57

пл 0.27 _ 9.94

ПИЛ 4.66 _ 9.59

По возмущению П 4 1.87 22

пл _ 0.97 10.4

пид — 0. 10.55

Проведенные опыты показали, что изменять расход воздуха можно лишь в определенных пределах, так как слабый поток воздуха не влияет на производительность пеногенератора, а сильный поток воздуха значительно ухудшит качество пены. Отсюда следует, что для управления процессом приготовления пены в пеногенераторе необходимо использовать по крайне мере двуканальную систему управления, это позволит значительно расширить диапазон управления.

Анализ переходных процессов при возмущающих воздействиях на объект, полученные в результате моделирования двуканальных систем управления (рисунок 3), показывает, что при использовании двуканальных систем время регулирования ^ сокращается, в отличие от систем с одним контуром управления (таблица 4).

Таблица 4

Показатели качества переходных процессов в двуканальных системах управления пеногенератором

система показатели «в» - К» и «со - К» «С» - К» и «виц, - К»

Р0б=22% Рш=5% Р0.=22% Рсшл~6%

'Р 8,54 4,45 10 -

Дм«! 0,94 0,21 0,77 0,19

/X

/ \\

_____а

• •

О 9 10 10 20 23

Рис. 3 Переходные характеристики в двуканальных системах управления процессом приготовления пены при возмущающих воздействиях на объект управления (ОУ) по каждому каналу

1 - Ра,-22% в системе с регулирующими воздействиями - «изменение расход шлихты

бци, и расход воздуха в.»;

2 - Ро,=22% в системе с регулирующими воздействиями - «изменение частоты вра-

щения ю и расход воздуха в,»;

3 - Рш=5% в системе с регулирующими воздействиями - «изменение частоты враще-

ния ю и расход воздуха в,»;

4 - Рошл=6% в системе с регулирующими воздействиями - «изменение расход шлихты

Сщд и расход воздуха в,».

При моделировании трехканальной системы управления (рисунок 4) возмущение подавалось по каналам «в,, - К» и «Ошл - К». Полученные результаты (рисунок 5) также подтверждают удовлетворительное качество системы управления процессом приготовления пены.

пд- регулятор!

зад -4*

пд- регуляторЗ

зад

ПИ- регулятор2

зад ИМ Б

Ур

1

0.1р + 1

©

0.12

0.12

ШР+МЫР+П

0.12 (4.5р + 1ХЗр+1) -4 4 к

(2.4р + 1)(1.7р + 1)

ИУ

Кип

И-

Кз,

Рис. 4 Структурная схема трех канальной системы управления приготовления

пены в пеногенераторе

Рис. 3.12 Переходные характеристики в трехканальной системе управления процессом приготовления пены при возмущающих воздействиях на объект управления (ОУ) по каналам

- Р0а=22%;

-------- Р0шя=5%.

На основе изложенного выше следует, что управление процессом приготовления пены в пеногенераторе возможно осуществлять, используя один из каналов, два канала, а также все три канала управления. Однако, с точки зрения минимального времени регулирования целесообразней использования трехканальной системы.

Реализация одно- и многоконтурных систем управления процессом приготовления пены связана с решением множества различных задач: получение и обработка информации о параметрах процесса (расхода воздуха и шлихты, частоты вращения ротора пеногенератора, кратности и дисперсности пены, качественных показателей шлихты и др.), а также формирование законов управления. Применение микропроцессорного устройства для управления процессом приготовления пены, в том числе и процессом шлихтования в целом, значительно упростит их техническую реализацию. Для этого проведено преобразование аналоговой системы автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе в дискретную форму. Результаты моделирования цифровых систем управления показали идентичность качества управления по сравнению с аналогичными линейными системами.

Результаты проведенных опытов и моделирования (рисунок 6) показали, что вспениваемость раствора в значительной мере зависит от его вязкости, и имеет влияние на коэффициент передачи в математической модели объекта, следовательно, необходимо применение самонастраивающейся адаптивной системы управления. Разработанная адаптивная система позволяет корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от применения качества и параметров используемой для приготовления пены шлихты.

0.7

ое Об 04

оэ ог 01 о.

Л

/ V'

/ А

/ А

.//........\ \.............

// \ \

Г , 1 '

ю

18

га

ав

эо

1,С

Рис. 5 Реакция АСР кратности пены на возмущающее воздействия РСв=22% при подачи растворов различной вязкости: 1 - шампунь; 2 - шлихта.

На рисунке 6 приведен один из возможных способов техническая реализация адаптивного ПИ - регулятора кратности пены в двуканальной системе управления по каналу «ю - К».

Рис. 6 Адаптивный регулятор кратности вырабатываемой пены Где ВУ - вычислительное устройство; Д - двигатель;

Результаты моделирования системы управления при подаче раствора шлихты с различными настройками регулятора показаны на рисунке 7.

"мах

0,45 04 uss 03 028 02 а is 01 009

"о 8 1С 1« 20 Ж S0 t,C

Рис. 7 Реакция АСР кратности пены на возмущающее воздействие 1 - без адаптации настроек регулятора; 2-е адаптацией настроек регулятора

Очевидно, что адаптация настроек даже одного регулятора в двуканаль-ной системе управления значительно улучшает качество процесса.

Четвертая глава посвящена технической реализации системы управления процессом шлихтования в пене.

Основным параметром, характеризующим качество ошлихтованной основы (пряжи), является приклей и при разработке системы управления процессом шлихтования в пене этот параметр будет также критерием, определяющим, как структуру системы, так и основные технические характеристики.

Существует несколько возможных способов управления процессом шлихтования в пене: изменением режима работы пеногенератора и управление положением заслонки, т.е. любое отклонение от заданного значения приклея, скорости основы или расхода пены должно приводить к автоматическому изменению положения заслонки.

Возможна также реализация комбинированной системы управления процессом нанесения пены, что позволит осуществлять управление процессами приготовления и нанесения шлихтующей пены на основу при смене артикула основы, изменении скоростных режимов процесса шлихтования и изменении задания расхода и качества пены для получения, требуемого приклея.

В соответствии с изложенным выше, технические средства, используемые при реализации автоматической системы управления процессом шлихтования в пене, касаются:

- измерения величины приклея;

- измерения кратности и дисперсности пены;

- управления устройством нанесения пены на нити основы;

-управления подачей шлихты и/или воздуха в смеситель пеногенератора;

- управления частотой вращения вала в смесителе.

Для измерения величины приклея возможно использование тензодатчика, который устанавливается в виде щупа, разъединяемого нити основы в зоне ценового поля.

В известных устройствах контроль над получаемой пеной осуществляется косвенным путем: по изменению расхода раствора и расхода воздуха, что все-таки не дает полной информации о качестве вырабатываемой пене.

В работе рассматривается один из прогрессивных способов основанный на базе применения оптоэлектронных преобразователей. Данный способ основан на нарушении или сохранении полного внутреннего отражения (ПВО) луча в измерительном элементе при контакте с контролируемым объектом и связан с анализом состояния амплитуды, фазы или поляризации оптического излучения.

Автоматизацию различных модулей процесса шлихтования пеной возможно реализовать используя локальную систему управления или общее микропроцессорное устройство.

Так, например, управление частотой вращения вала в смесителе осуществляется с помощью частотно-регулируемого привода 8У0041С5, с помощью которого возможно управление скоростью вращения трехфазных асинхронных электродвигателей насосов, компрессоров, вентиляторов, транспортеров, сушильных агрегатов, приводов дверей и ворот, текстильных машин и т.д.

Управление может осуществляться как Ш"-регулированием, векторным управлением без датчика, так и с помощью встроенных функций: ПИД-управление, торможение постоянным током и т.п.

Применение же микропроцессорных регулирующих устройств (МПРУ) особо необходимо при реализации комбинированной системы управления процессом шлихтования в пене, так как в данном случае контроль ведется и за параметрами процесса пенообразования.

Например, используя элементную базу процессора г80 фирмы Ъ\\о% можно организовать управление, спроектировав специализированное микропроцессорное устройство. Однако при управлении процессом с помощью с проектированной системы необходимо иметь соответствующее программное обеспечение, которое бы осуществляло работу заданного процесса.

В последнее время стали выпускаться универсальные регуляторы процессов, благодаря которым возможно организовать контроль и управление любым процессом. Примером может служить регулятор ШСХЖ 400 (тип 703575/1... или тип 7053575/2...).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Рассмотрены особенности применения пены в текстильной промышленности, в том числе и в процессе шлихтования. Определены основные условия получения пены и ее характеристики, позволяющие осуществлять управление процессом шлихтования в пене.

2. Проведен анализ способов и устройств получения пены. Исследованы ранее разработанные конструкции смесительных пеногенераторов, управления

которыми осуществляется изменением расхода воздуха и/или шлихты, а также изменением частоты вращения вала в смесителе.

3. Предложены основные способы нанесения пены для осуществления наиболее равномерного распределения пены по поверхности основных нитей' (пряжи) и получения оптимального условия шлихтования.

4. Разработано и экспериментально исследовано устройство для получения пены. С помощью регрессионного анализа проведено исследование статической зависимости, связывающей технологические параметры процесса приготовления пены выходным параметром - кратностью вырабатываемой пены.

5. Проведены экспериментальные исследования идентификации вспенивающего устройства путем снятием переходных характеристик и с помощью аппроксимации переходных характеристик получены передаточные функции объекта управления по трем каналам управления:

- «кратность пены - расход шлихты»,

- «кратность пены - расход воздуха»

- «кратность пены - частота вращения вала».

6. Проведено моделирование одноконтурных систем автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе по трем основным каналам и получены графики переходных процессов по заданию и возмущению при различных законах управления (П, ПИ и ПИД).

7. Для оценки эффективности работы вспенивающего устройства выполнено моделирование двухконтурных систем и трехконтурной системы управления процессом приготовления пены в пеногенераторе. Получены их графические зависимости при возмущающих воздействиях на объект управления.

8. Осуществлено преобразование аналоговой системы автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе в дискретную форму и проведено ее моделирование, что позволит использовать полученную модель в цифровых системах управления.

9. Предложена разработанная адаптивная система управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от применения качества и параметров используемой для приготовления пены шлихты.

10. Проведен анализ управления процессом шлихтования пеной и рассмотрена связь между основными управляющими воздействиями и регулируемыми параметрами в данном процессе шлихтования. Предложены и способы управления процессом шлихтования пеной.

11. Обоснована возможность применения метода контроля над качеством вырабатываемой пены, основанного на нарушении или сохранении полного внутреннего отражения (ПВО) луча в измерительном элементе (ИЭ) и связанного с анализом состояния амплитуды, фазы или поляризации оптического излучения.

12. Изложены основные требования к МПРУ и предложены возможные технические средства.

16 НИ 59 91

Основное содержание работы отражено в публи 2006 4

1. Виниченко С.Н. Козлов А.Б. Особенности автоматизации

вания в пене. - В кн.: Сборник научных трудов аспират 12961 М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2003 г.

2. Милехин Г.В. Ермолаев Ю.М., Виниченко С.Н. Устройство для контроля плотности пены. - В кн.: Тезисы докладов Всероссийской научно технической конференции «Современные технологии и оборудования текстильной промышленности» (Текстиль-2002). - М.: МГГУ им. А.Н. Косыгина, 2002 г.

3. Виниченко С.Н., Козлов А.Б., Королев Ю.Н. Первичные преобразователи для контроля процесса шлихтования в пене. - В кн.: Тезисы докладов Всероссийской научно технической конференции «Современные технологии и оборудования текстильной промышленности» (Текстиль-2003). - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2003 г.

4. Виниченко С.Н., Козлов А.Б., Королев Ю.Н. О возможности применения оптических первичных измерительных преобразователей для контроля процесса шлихтования в пене. - Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности. Иваново. 2004 г. № 2.101-103 с.

5. Виниченко С.Н., Козлов А.Б. Автоматизация процесса приготовления пены для шлихтования - В кн.: «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2004): Сборник материалов международной научно-технической конференции. Часть 2. - Иваново: ИГТА, 2004 г.

6. Виниченко С.Н., Козлов А.Б. Система автоматического управления процессом шлихтования в пене. - В кн.: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудования текстильной промышленности» (Текстиль-2004). - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004 г. - с. 200.

Подписано в печать 16.09.05 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ 408 Тираж 80 МГТУ им. А.Н. Косыгина, 119991, Москва, ул. Малая Калужская, 1

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ И СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ПЕННОЙ ОБРАБОТКИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Особенности шлихтования основных нитей в пене.

1.2 Структура и свойства пены.

1.3 Способы получения пены и анализ известных вспенивающих устройств.

1.4 Способы нанесения вспененной шлихты на основу.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА И. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕНЫ, КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Экспериментальная установка.

2.2 Исследование пеногенератора, как объекта управления.,.^.

2.3 Методика обработки экспериментальны результатов.

2.4 Экспериментальное исследование каналов.

2.4.1 Канал «частота вращения вала - кратность пены».

2.4.2 Канал «расход шлихты - кратность пены».

2.4.3 Канал «расход воздуха - кратность пены».

2.5 Математическая модель пеногенератора.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II.

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ СИТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕНЫ

3.1 Динамические характеристики одноконтурных систем управления.

3.2 Динамические характеристики двуканальных систем управления.

3.3 Динамические характеристики трехканальной системы управления.

3.4 Дискретная модель системы управления процессом приготовления пены по трем основным каналам.

3.5 Адаптивная система управления устройством для получения пены.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III.

ГЛАВА IV. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ШЛИХТОВАНИЯ В ПЕНЕ

4.1 Анализ управляемого процесса нанесения пены при шлихтовании.

4.2 Методы и средства контроля процесса шлихтования в пене.

4.3 Контроль качества получаемой пены во вспенивающем устройстве.

4.3 Микропроцессорная система управления (МПСУ).

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.

Актуальность работы. Одним из наиболее важных процессов в подготовке основы к ткачеству является шлихтование. После обработки пряжи (основы) в шлихте значительно повышается устойчивость нитей к многократным механическим воздействиям на ткацком станке, сокращая тем самым обрывность нитей. Постоянное технологическое усовершенствование ткацкого производства, в том числе и увеличение скоростных режимов, заставляет искать новые пути развития и процесса обработки пряжи (основы) шлихтой. Поэтому, в последнее время наблюдаются новые тенденции развития в данном процессе, и одной из предлагаемых технологий является шлихтование основы вспененной шлихтой. В нашей стране, в отличие от некоторых зарубежных странах, пенную технологию применяют лишь при отделке тканей и в процессе крашения.

В отличие от традиционного способа, шлихтование пеной действительно имеет ряд преимуществ. Эта технология позволяет не только увеличить равномерность слипания волокон, что значительно улучшает качество ошлихтованной пряжи (основы), но и снизить энергетические затраты, а также сократить расход шлихтующих препаратов. При этом существенным фактором, определяющим качество шлихтования данным способом, является получение пены с необходимыми свойствами, т.е. определенной дисперсностью и кратностью. Однако на данный момент основной проблемой является контроль над качеством получаемой пены, обеспечивающей соответствующие физико-механические свойства основных нитей при шлихтовании. Большое значение в образовании пены с нужными свойствами играет интенсивность процесса пенообразования и конструкция вспенивающего устройства, что почти не исследовано. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная решению вопросов управления вспенивающим устройством и разработке системы автоматического управления процессом шлихтования в пене, является актуальной.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка устройства для получения пены (пеногенератора), а также системы автоматического управления (САУ) процессом шлихтования вспененной шлихтой, обеспечивающей получение конечного результата (приклея) с заданными физико-химическими свойствами.

Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:

1. Анализ особенностей технологического процесса шлихтования в пене и исследование уже известных методов, средств и технологий процессов приготовления и подачи пены.

2. Экспериментально-теоретическое исследование пеногенератора, как объект управления и получение его математической модели.

3. Разработка систем автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе.

4. Моделирование разработанных систем управления для оценки переходных характеристик в процессе приготовления пены.

5. Разработка адаптивной системы управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от применения качества и параметров используемой для приготовления пены шлихты.

6. Разработка системы автоматического управления процессом шлихтования в пене.

7. Анализ оптоэлектронного преобразователя, в качестве датчика качества пены.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса приготовления пены в пено-генераторе по трем каналам управления, где в качестве управляющих воздействий использованы расход воздуха, расход шлихты и изменение частоты вращения вала.

2. Структура одно-, двух- и трехканальной систем управления процессом приготовления пены

3. Результаты математического моделирования разработанных систем автоматического управления вспенивающим устройством.

4. Модель системы управления процессом шлихтования в пене.

5. Оптоэлектронный способ измерения кратности вырабатываемой пены в пеногенераторе.

Методика проведения исследований. В работе использована комплексная методика исследования, включающая математические анализы и инструментальные методы. При построении математической модели процесса приготовления пены в пеногенераторе применялись экспериментальные методы исследования и компьютерная обработка информации.

Теоретические исследования основывались на современных методах теории автоматического управления. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях путем физического макетирования. Расчеты характеристик и моделирование системы автоматического управления процессом приготовления пены проводились по разработанным программам математических систем MathCAD и MATLAB.

Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы исследован пеногенератор, как объекта автоматического управления.

Получена математическая модель процесса приготовления пены по трем каналам управления.

Проведено исследование статической зависимости технологических параметров изменением подачи воздуха, жидкости и изменением частоты вращения вала с кратностью вырабатываемой пены в пеногенераторе.

Разработана система автоматического управления процессом шлихтования в пене.

Обосновано возможность применения оптоэлектронный преобразователь с полным внутренним отражением, в качестве датчика качества пены

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей процесса приготовления пены и системы управления подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Научные решения диссертационной работы обоснованы в рамках допущения, являющихся общепринятыми.

Практическая ценность. Использование разработанной системы автоматического управления процессом шлихтования пеной позволит уменьшить энергозатраты в сушке, сократить загрязнение шлихтовального оборудования и увеличить равномерность слипания волокон.

Разработанные математические модели пеногенератора можно также использовать в отделке материалов, в крашении и в других процессах, где возможно применение пены. 4

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на вузовской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века» (Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина) 2002 г.

Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ) 2002, 2003, 2004 гг.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 120 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общего вывода по работе, а также содержит список используемой литературы из 71 наименований и 1 приложения. Работа иллюстрирована 33 рисунками, 1 схемой и 5 таблицами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Рассмотрены особенности применения пены в текстильной промышленности, в том числе и в процессе шлихтования. Определены основные условия получения пены и ее характеристики, позволяющие осуществлять управление процессом шлихтования в пене.

2. Проведен анализ способов и устройств получения пены. Исследованы ранее разработанные конструкции смесительных пеногенера-торов, управления которыми осуществляется изменением расхода воздуха и/или шлихты, а также изменением частоты вращения вала в смесителе.

3. Предложены основные способы нанесения пены для осуществления наиболее равномерного распределения пены по поверхности основных нитей (пряжи) и получения оптимального условия шлихтования.

4. Разработано и экспериментально исследовано устройство для получения пены. С помощью регрессионного анализа проведено исследование статической зависимости, связывающей технологические параметры процесса приготовления пены выходным параметром - кратностью вырабатываемой пены.

5. Проведены экспериментальные исследования идентификации вспенивающего устройства путем снятием переходных характеристик и с помощью аппроксимации переходных характеристик получены передаточные функции объекта управления по трем каналам управления:

- «кратность пены — расход шлихты»,

- «кратность пены - расход воздуха»

- «кратность пены — частота вращения вала».

6. Проведено моделирование одноконтурных систем автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе по трем основным каналам и получены графики переходных процессов по заданию и возмущению при различных законах управления (П, ПИ и ПИД).

7. Для оценки эффективности работы вспенивающего устройства выполнено моделирование двухконтурных систем и трехконтурной системы управления процессом приготовления пены в пеногенераторе. Получены их графические зависимости при возмущающих воздействиях на объект управления.

8. Осуществлено преобразование аналоговой системы автоматического управления процессом приготовления пены в пеногенераторе в дискретную форму и проведено ее моделирование, что позволит использовать полученную модель в цифровых системах управления.

9. Предложена разработанная адаптивная система управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от применения качества и параметров используемой для приготовления пены шлихты.

10. Проведен анализ управления процессом шлихтования пеной и рассмотрена связь между основными управляющими воздействиями и регулируемыми параметрами в данном процессе шлихтования. Предложены и способы управления процессом шлихтования пеной.

11. Обоснована возможность применения метода контроля над качеством вырабатываемой пены, основанного на нарушении или сохранении полного внутреннего отражения (ПВО) луча в измерительном элементе (ИЭ) и связанного с анализом состояния амплитуды, фазы или поляризации оптического излучения.

12. Изложены основные требования к МПРУ и предложены возможные технические средства.

1. Белобородова Т.Н. Применение пены для отделки текстильных материалов. // ЦНИИТЭИЛегпром., экс.-информ. Текстильная промышленность.- 1981 г. — №3, с. 12-14.

2. Рамейкова А.И., Юзефович М.И. Крашение и отделка текстильных материалов в пене. // ЦНИИТЭИЛегпром. экс.-информ. Текстильная промышленность. 1984 г. -№4, с. 13-15.

3. Проведение процессов в пене.// ЦНИИТЭИЛегпром., экс.-информ. Текстильная промышленность. — 1987 г. №4.

4. Ulmer К. Nekonwendni technologie scheichtowant// UZCHY Leska Leibova. 1985 r-№5.

5. Живетин B.B., Брут-Бруляко А.Б. Устройство и обслуживание шлихтовальных машин. М.: Легкая индустрия, 1988 г.

6. Любимов Н.С., Манухин А.С. Пути снижения обрывности нитей основы в хлопкоткацком производстве. М.: Легкая индустрия, 1965 г.

7. Николаев С.Д. Теория процессов, технология и оборудование подготовительных операций ткачества. М.: Легпромбытиздат, 1993 г.

8. Кешишян Х.Ш., Брут-Бруляко А.Б. Особенности шлихтования основной пряжи. Кострома: ДиАр, 2002 г.

9. Автоматизация производственных процессов текстильной промышленности; под редакцией Петелина Д.П., Бакмана Р., 2 кн. М.: Легпромбытиздат, 1993 г.

10. Маховер В.Л. Совершенствование и анализ процессов на шлихтовальных машинах. 1 кн. Иваново: ИГТА, 2003 г.

11. Гандурин Л.И., Лопатина О.П. Тенденции развития шлихтования с учетом экологических и ресурсосберегающих проблем. Текст, пром. 1976 г.- №27.

12. Щуту Р. Использование вспененной шлихты. Текст, пром. ФРГ. 1990 г. - №2.

13. Аспекты шлихтования пеной.// Текст, пром., ФРГ 1986 г. - №3.

14. Безрукова Е.В. Разработка технологии шлихтования в пене хлопчатобумажных основ: Дис. канд. техн. наук. М.: МГТУ им А.Н. Косыгина, 1992 г.

15. Власов П. В., Безрукова Е.В. Шлихтование пряжи в пене. Учебное пособие М.: МГТА, 1994 г.

16. Новиков В.П., Смирнов В.М. Технология шлихтования хлопчатобумажных основ в пене.// Текстильная промышленность, 1991 № 2.

17. Сумарукова Р.И., Слостина Г.Л. Новые способы шлихтования нитей. Учебное пособие. М.: МГТА, 1993 г.

18. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд. М.: Химия, 1983 г.

19. Канн К.Б. Капиллярная гидродинамика пен.- Новосибирск: Наука, 1989 г.

20. Феклистов В.Н., Канн К. Б., Дружинин С.А. Пены. Получение и применение. М.: Химия, 1974 г.

21. Меркин А.П., Таубе П.Р. Непрочное чудо. М.: Химия, 1983 г.

22. Волков М.П., Малофеев Н.И. Пены. Получение и применение. — М.: Химия, 1974 г. .

23. Павутницкая С.В. Шлихтование основ пенным способом.//Текстильная промышленность, 1993, № 3.

24. Новая техника и технология в шерстоткачестве. М.: Легпромбытиздат, 1990 г.

25. Савицкая Е.М. Анализ дисперсности пен. // Коллоидный журнал, 1951 т. 13, № 4.

26. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1978 г.

27. Тарат Э.Я. Пенный режим и пенные аппараты. Л., Химия, 1977 г.

28. Капитанов А.Ф. Теория жидкостной обработки продуктов прядения в пенной среде. М.: МГТА, 1992 г.

29. А.с. SU, №690193 Пеногенератор. Шарафутдинов Р.С., Шувалова Г.А., Яфаров Ш.З. и др.

30. А.с. RU, №2137534 Устройство для приготовления пены. Соколов Д.П., Винаров А.Ю., Смирнов В.Н.

31. А.с. SU, №1553130 Пеногенератор. Машковцев Б.И., Москаленко Э.М., Саворский В.П. и др.

32. Bauer N. Praktische tips zur optimierung der schlichterei.// Melliand Textielberichte. 1987 r. Bd.68 №1.

33. Brunn V. Schlichte-Technologien fur verschi edene einesizgeblete.// Chemiefasern Textilin dustrie. 1988 r. №85.

34. Шлихтование пенными растворами.// ЦНИИТЭИЛегпром., экс.-информ. Текстильная промышленность. 1983 г. -№18.

35. Ровенькова Т.А. Планирование эксперимента в производстве химических волокон. М., Химия, 1977 г.

36. Жовинский А.Н., Жовинский В.Н. Инженерный экспресс-анализ случайных процессов. — М.: Энергия, 1979. — 112 с.

37. Круглова С.В. Система автоматического управления температурным режимом нагрева заготовки при производстве фторидных волокон. Дис. канд. тех. наук. М., 2004 г.

38. Тимохин А.Н. Электротехническая система управления процессом вытяжки оптического стекловолокна. Дис. канд. тех. наук. М., 2004 г.

39. Иванова В.М., Калинина В.Н. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1975 г. - 567с.

40. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1977. 479 с.

41. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и z-преобразования. М.: Наука, 1971. - 288 с.

42. Иванов В.А., Ющенко А.С. Теория дискретных систем автоматического управления. М.: Наука, 1983. -483 с.

43. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. М.: Высшая школа, 1975.-408 с.

44. Домрачев В.Г., Смирнов Ю.С. Цифроаналоговые системы позиционирования. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240 с.

45. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB, Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 448 стр.

46. Макаров И.М., Евтихиев Н.Н., Дмитриева Н.Д. Основы автоматизации управления производством: Учеб. пособие; под ред. Макарова И.М. М.: Высшая школа, 1983. - 504 с.

47. Гуревич СЛ., Кипнис А.Б., Стороженко Ю.И., Айзенберг Т.Г. Технологические измерения и контрольно-измерительные приборы в легкой промышленности. М.: Легкая индустрия, 1968, 298 стр.

48. Чунке X. Актуальные проблемы в шлихтовании и тенденция его развития. Текстильная промышленность, №4, 1963 г.

49. Потягалов А.Ф. Шлихтование основ. -М.: Легкая индустрия, 1965 г.

50. Klimek М. Wybrane zagadnunia z naredu elektrycznego maszin wloklenniczich. Lodz, 1964 r.

51. Мильман А.Я. Исследование динамики натяжений нитей при их сматывания с рулона. Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 1964 г., №5

52. Петелин Д.П., Козлов А.Б., Джелялов А.П., Шахнин В.Н. Уч. Пособие: Автоматизация технологических процессов в текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1980. - 320 с.

53. Сычевская И.Д. Математическое описание и оптимизация процесса шлихтования хлопчатобумажной пряжи. Дис. канд. тех. наук. М., 1968 г. - 94 с.

54. Schutz R., Exbrayat P. Importance relative des tensions diversement appliquees aux fils de chaines rendant l'encollage. Bulletin de de l'Jnstitut de France, 1959, №80.

55. Окоси Т. И др. Волоконно-оптические датчики. — JI.: Энергоатомиздат, 1990 г.-256 с.

56. Мухитдинов М.М. Оптоэлектронные устройства контроля и измерения в текстильной промышленности. М.: 1992 г.

57. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир, 1970 г.

58. Королев Ю.Н., Милехин Г.В., Кочеткова С.А., Ермолаев А.Ю. Использование первичного преобразователя в качестве компенсатора для измерения параметров технологических процессов. Изв. ВУЗ. Технология Текст, пром. 1994 г. -№3.

59. Бабченко A.M., Бусурин В.И., Носов Ю.Р. // Измерения, контроль, автоматизация. 1987, № 2. С.3-13.

60. Калабеков A.J1., Королев Ю.Н. Экологический мониторинг. Некоторые методы неинвазивного анализа интактных клеток. М.: Изд-во Прима -Пресс - М, 2000.

61. Виниченко С.Н. Козлов А.Б. Особенности автоматизации процесса шлихтования в пене. В кн.: Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск № 7-М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2003 г.

62. Петелин Д.П., Милехин Г.В., Ермолаев Ю.А., Королев Ю.Н. Реализация первичной информации о параметрах технологических процессов при использовании одного преобразователя

63. Воронкова Е.М. и др. Оптические материалы для инфракрасной техники. -М.: Наука, 1965 г.

64. Виниченко С.Н., Козлов А.Б., Королев Ю.Н. О возможности применения оптических первичных измерительных преобразователей для контроля процесса шлихтования в пене. Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 2004 г. № 2. 101-103 с.

65. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления. Под ред. Солодовникова В.В. М.: Машиностроение, 1990. - 332 с.

66. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Справочник. Том 1 и 2. Абрайтис Б.Б., Аверьянов Н.Н., Белоус А.И. и др. М.: Радио и связь, 1991. - 368 с.